Zwierzęta migrujące mogą nawigować, korzystając z ziemskich pól magnetycznych, potencjalnie wspomaganych przez żyjące w nich bakterie magnetyczne. Robert Fitak i jego zespół stworzyli ogromną DNA bazy danych w celu zbadania obecności tych bakterii u zwierząt, koncentrując się na ich możliwej roli we wspomaganiu nawigacji, zwłaszcza u żółwi morskich.
Niezwykłe zdolności zwierząt wędrownych do nawigacji i zapamiętywania tras mogą wynikać nie tylko z ich wrażliwości na ziemskie pola magnetyczne, ale także z potencjalnej interakcji z żyjącymi w nich bakteriami magnetycznymi.
Związek między tymi bakteriami magnetycznymi a zwierzętami, w których żyją, nie jest jeszcze w pełni poznany, ale adiunkt Wydziału Biologii UCF Robert Fitak niedawno stworzył bazę danych zwierzęcego DNA, zawierającą setki milionów sekwencji wskazujących na obecność różnych typów bakterii magnetycznych używać jako narzędzia w dążeniu do dowiedzenia się więcej.
Baza danych sygnalizuje krok naprzód w jego badaniach i opiera się na wcześniejszych hipotezach i analizach opublikowanych w 2020 r. we współpracy z kolegami z Wielkiej Brytanii i Izraela.
W 2021 r. Fitak nadal przeglądał bazy danych, aby sklasyfikować, które zwierzęta mogą być nosicielami bakterii magnetycznych i czy istnieją dominujące wzorce.
„W pierwszym badaniu, które przeprowadziliśmy, przyjrzeliśmy się istniejącym zbiorom danych i podsumowaliśmy, gdzie znaleźliśmy tę bakterię u różnych zwierząt” – mówi. „Przeszukaliśmy około 50 000 wcześniejszych badań naukowych. Teraz rozszerzyliśmy to na badanie ogólnoświatowej bazy danych informacji genetycznej i byliśmy w stanie podsumować lokalizację tych bakterii na podstawie bilionów sekwencji genetycznych”.
Natury GPS: Czy żółwie morskie wykorzystują do nawigacji bakterie magnetyczne? Źródło: Uniwersytet Centralnej Florydy
Baza danych została opublikowana na początku tego roku w Dane w skróciei zapożycza informacje z publicznie dostępnego archiwum odczytu sekwencji z Narodowego Centrum Informacji Biotechnologii.
Fitak skupił się na uporządkowaniu sekwencji DNA pochodzących od różnych zwierząt gatunek które pasują do znanych bakterii magnetycznych, aby pomóc jemu i innym badaczom zawęzić wysiłki w badaniu zarówno środowiskowej, jak i ekologicznej roli bakterii magnetycznych lub w identyfikacji potencjalnych zwierząt żywicielskich.
Wewnętrzny kompas?
Fitak i jego współpracownicy wykorzystują udoskonalone dane do identyfikacji potencjalnych organizmów żywicielskich dla bakterii magnetycznych i zapewnienia szerszego kontekstu do badania roli, jaką mogą odgrywać u zwierząt – np. w zakresie nawigacji.
„Docelowo, jeśli lepiej zrozumiemy, w jaki sposób poruszają się zwierzęta, będzie to przydatne do ochrony gatunków zagrożonych lub chronionych” – mówi Fitak. „Jeśli wiemy, dokąd się przeniosą i w jaki sposób, może nam to pomóc w podejmowaniu trafniejszych decyzji zarządczych”.
Interesuje go sprawdzenie, czy bakterie magnetyczne zamieszkują pewne obszary zwierzęcia, na przykład części układu nerwowego, aby mogły je wyczuć. Fitak uważa, że mogłyby one służyć jako pomoc nawigacyjna dla zwierząt lub stanowić dodatkowy impuls dla stworzeń takich jak ptaki czy żółwie morskie, które już wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do pokonywania dużych odległości.
„To prawie jak mikrobiologiczny kompas i badamy, jak to mogłoby działać” – mówi Fitak. „Uważamy, że zwierzęta już używają ziemskiego pola magnetycznego jak kompasu”.
Mówi także, że inną potencjalną korzyścią jest to, że naukowcy mogą badać, w jaki sposób zwierzęta wyczuwają pola magnetyczne i potencjalnie naśladują sposób, w jaki są one wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak dostarczanie leków.
Jednak nie ma jednoznacznych dowodów na to, że zwierzęta te wykorzystują bakterie magnetyczne do nawigacji, czy nie, mówi Fitak.
„Najważniejsze podsumowanie naszych badań jest takie, że nie wiemy jeszcze, czy te bakterie wyczuwają obecność bakterii w organizmie zwierzęcia, ale mamy dowody na to, że żyją one w tych zwierzętach” – mówi. „Ale dowiedzieliśmy się, że możemy używać znaczników genetycznych, które są sygnaturami bakterii wytwarzających magnesy, i zidentyfikowaliśmy te sygnatury genetyczne tych bakterii u różnych zwierząt – w tym ludzi”.
Tego rodzaju bakterie często żyją w osadach lub błotach, gdzie nie ma zbyt dużo tlenu – mówi Fitak. Montują mikroskopijne i namagnesowane żelazne „łańcuszki”, które pomagają im w ruchu – mówi.
Nie jest pewne, w jaki sposób organizmy trafiają do organizmu z tymi bakteriami, ale przypuszcza się, że może to nastąpić w wyniku absorpcji lub spożycia, mówi Fitak.
„Dotychczasowe wyniki naszych projektów pokazują, że te bakterie magnetyczne wydają się być stałym składnikiem mikrobiomów wielu gatunków” – mówi. „Mamy nadzieję, że nasze przyszłe prace wykażą, czy są one zbierane przypadkowo ze środowiska, jako funkcjonalny element wykrywania magnetycznego zwierzęcia-gospodarza, czy też z innego nieznanego powodu”.
Koncentrując się na żółwiach morskich
Fitak i jego zespół-studentów skupiają się na badaniu próbek żółwi morskich zielonych i karetta w celu dalszych badań bakterii magnetycznych.
„Żółwie morskie są swego rodzaju modelem nawigacji zwierząt” – mówi. „Testowaliśmy nasze hipotezy na żółwiach morskich, ponieważ bardzo dokładnie podróżują do bardzo określonych miejsc”.
Naturalnym kolejnym krokiem było skupienie się na żółwiach morskich, ponieważ wiadomo, że posiadają one bakterie magnetyczne, a migracja odbywa się w oparciu o ziemskie pole magnetyczne – mówi Fitak. Mówi, że grupa badawcza żółwi morskich przy UCF również odegrała kluczową rolę w uzyskaniu próbek żółwi.
Julianna Martin, dr hab. student współpracujący z Fitakiem pomógł przeanalizować i zebrać prawie 150 próbek żółwi morskich.
„Pracuję w laboratorium, aby wyodrębnić DNA z próbek i wykorzystuję genomikę, aby określić, jakie bakterie znajdują się w próbkach i których szukamy, wytwarzających magnesy” – mówi. „Nie mógłbym zebrać próbek bez pomocy Grupy Badawczej Żółwi Morskich UCF. To był wysiłek zespołowy.”
Martin i naukowcy z Grupy Badawczej Żółwi Morskich przy UCF delikatnie pobierają próbki łez za pomocą miękkich wymazów od gniazdujących samic, które podczas składania jaj wchodzą w stan niemal przypominający trans, oraz młodych osobników w lagunie Indian River.
Będąc na lądzie, żółwie wytwarzają duże, lepkie łzy, aby zapewnić nawilżenie oczu, a ich zebranie zajmuje około 30 sekund – mówi Martin.
„Zaczęliśmy od kanalików łzowych, ponieważ są one powiązane z nerwami potencjalnie powiązanymi ze zmysłem magnetycznym zwierząt” – mówi. „Patrzenie tam ma biologiczny sens i łatwo jest zebrać łzy żółwi morskich”.
Martin twierdzi, że jest zadowolona z dotychczasowych postępów, ale ma nadzieję, że ich dynamika popchnie badania w stronę bardziej ostatecznych wniosków.
„Te badania były naprawdę ekscytujące” – mówi. „Nikt nie szukał ich specjalnie u żółwi morskich. Interesuje mnie, skąd pochodzą i jakie gatunki bakterii wytwarzających magnesy ma każdy gatunek żółwia morskiego. To jeszcze bardzo daleko, ale na razie pracujemy nad opisem: „Czy oni tam są?” i „Skąd pochodzą?”
Potencjał dzielenia się wyjątkowym odkryciem bakterii magnetycznych pomagających zwierzętom w nawigacji jest naprawdę cudowny, mówi Fitak.
„To, co było ekscytujące, to możliwość powiedzenia ludziom, że na świecie istnieją bakterie wytwarzające magnesy” – mówi. „Ludzie są pod wielkim wrażeniem i byłoby niewiarygodne, gdyby zwierzęta rzeczywiście wykorzystywały te magnetyczne bakterie do nawigacji”.
Fitak zachęca badaczy zainteresowanych badaniem bakterii magnetycznych przejrzyj zebrane przez niego dane.
Odniesienie: „The magneto-microbiome: A dataset of the metagenomic distribution of magnetotaktyczne bakterie” Robert R. Fitak, 18 stycznia 2024 r., Dane w skrócie.
DOI: 10.1016/j.dib.2024.110073
